JP2012232302A - 擬似移動床システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、溶液を二つ又はそれより多くのフラクションに分画するシステム及び方法に関するものである。本発明のシステムは、少なくとも約1mの直径を有し且つ約50μmないし約250μmの範囲内のビーズ径を持つポリマーベースのイオン交換樹脂の均一充填物を含む少なくとも二つの区画を含む。本発明のシステムにおける流体フロントの混合容積は、区画容積の5%を越えない。
【選択図】なし
Description
HETP=Adp +Bdp 2 u
[式中、
dp =ビーズ径
u=隙間の線速度
A=2Am /(udp )
B=2ε/(1−ε)(K'i /(1+K'i ))2/(15Di Ki )
Am =軸混合係数
Ki =成分iの分配係数
K'i =成分iの能力係数
ε=床の多孔度
Di =固相中の成分の拡散係数]
が使用され得る。
ΔP/L=(((1−ε)2 )/ε3 )(150μ/dp 2 )u
[式中、
ΔP=圧力降下
ε=床の多孔度
μ=流体の粘度
L=床の長さ
u=隙間の線速度]
を使用することにより評価され得る。
ムにおいて同じ理論段数に対して要求される床の長さを同時に減少することにより制限される。この研究は、分析規模のカラムの性能を改良する際に使用された。ジアコベロ(Giacobello)等は、ジャーナル オブ クロマトグラフィーA(Journal of Chromatography A)、872(2000)23〜35、において同様のグラフを示した。
下記の問題が注目された:
−カラム充填材床中の圧力降下が増加し過ぎて、流速を抑える、
−クロマトグラフのピークが非常に後を引き、過大な稀釈及び重複するピークを生じさせる、
−HETPが予想したほど増加せず、そして、クロマトグラフ床を予想したよりも長くしなければならない、
−減少した流量の結果として達成された能力が予想されたよりも小さい、
−工業的規模のクロマトグラフィーにおいて使用される濃い供給溶液及び高い供給量を用いる場合、上記問題は極端に大きかった。
小さいほど、最適カラム長は短くなる。
ジアコベロ(Giacobello)等、ジャーナル オブ クロマトグラフィーA(Journal of Chromatography A)、872(2000)23〜35 ビレシ ジー.(Bressi G.)等、[ジャーナル オブ クロマトグラフィーA(Journal of Chromatography A)、876(2000)3〜15]
カラムは、一つ又は複数の区画から構成され得る。
下記パラメーターを用いて解決された。
1.ビーズ径が小さいほど、より短い区画が使用され得る。
HETPが75%減少すると、区画の高さもまた、ほぼ同量減少し得る(=50〜75%)。これは、より小さいビーズ径により生じる圧力降下の増加を極小化し、そして、妥当な定格圧力を用いてより小さい線流速が維持されることを可能にする。
2.区画内の樹脂の移動は極小化される。これは、通常作動中、区画が満杯且つ均一で留まるように、区画を樹脂で満杯に充填することにより、実用上、具現化され得る。
3.区画は、充填材を用いて均一且つ満杯に充填される。これは、樹脂が均一で且つ狭い粒径分布を有し、そして、充填システムが均一充填の達成を可能にすることを意味する。4.区画が短い場合、該区画内の分配及び捕集装置並びに該区画の間の中間配管により生じる混合容積を極小化することは重要である。
前記樹脂の製造者は、例えば、フィネックス(Finex)社、ダウ(Dow)社、バイエル(Bayer)及び社、ローム・アンド・ハース(Rohm&Haas)社である
。
ゼオライト、炭素質焦性ポリマー及びポリマーに結合した活性炭もまた、カラム充填材として有用である。
好ましくは、分配装置は、極小の時間遅延、極小の時間遅延分布及び極小の流体フロントの混合で、流体を区画内に均一に分配する。
好ましくは、捕集装置は、極小の時間遅延、極小の時間遅延分布及び極小の流体フロントの混合で、区画からの流体を均一に捕集する。
味する。
本発明のシステム及び方法は、SMB法を使用して、例えば、糖蜜溶液、砂糖黍エタノール蒸留廃液及びスルフィット蒸解液のような溶液を分画するために適用され得る。SMB法は連続的又は逐次的であり得、或いは、連続的プロセス及び逐次的プロセスの組み合わせを含む。
好ましくは、用いられるSMB法は、2−プロフィール法(two−profile method)又は繰り返しルーピング法(repeated looping method)である。これらの方法は、米国特許第6224776号明細書、米国特許出願第20010009236号明細書及び米国特許出願第20030006191号明細書に、それぞれ、詳細に記載されている。前記米国特許明細書及び米国特許出願明細書は、参考文献として、本明細書中に取り込まれている。
本発明のシステム及び方法は、とりわけ、1サイクルにつき、10kg乾燥物質/m3 カラム容積、を越える供給量を有する濃い供給溶液に対して有用である。
クロマトグラフに加えて、本発明の方法は、イオン交換システム又は吸着システムに適用することもできる。
350μmビーズ径カチオン交換樹脂を用いるSMBクロマトグラフー試験
試験装置は、直列に接続された6本のカラム、供給ポンプ、循環ポンプ、溶出水ポンプ、並びに入口及び種々のプロセス流に対する生成物バルブを含んでいた。前記装置は、供給流、溶出流及び循環段階流を制御するための流量制御ユニットを含んでいた。伝導度計は、吐出流の伝導度を測定するためにそれぞれのカラムで使用され、そして密度計は、吐出流の密度を測定するために最後のカラムで使用された。それぞれのカラムの高さは4mであり、そしてそれぞれのカラムは0.111mの直径を有していた。前記カラムは、Na+ 形態にあるビーズ径350μmの強酸ゲル型カチオン交換樹脂[ダウ(DOW)99K/350]で充填された。前記樹脂ビーズの98%が、平均粒径から±20%の範囲内にあると測定された。
段階1:供給溶液2.0Lを流量45L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、リサイクルフラクションをカラム6から捕集した。
段階2:供給溶液9.8Lを流量42L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、残渣フラクションを同じカラムから捕集した。同時に、水10.1Lを流量43L/時間でカラム2にポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム4から捕集した。更に同時に、水を流量72L/時間でカラム5にポンプ移送し、そして、最初にリサイクルフラクション4.4Lを、次いで蔗糖含有フラクション12.2Lをカラム6から捕集した。
段階3:供給溶液1.8Lを流量45L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、蔗糖含有フラクションをカラム6から捕集した。
段階4:7.5Lを流量48L/時間で、全カラムを用いて形成したカラムセットループ中で循環させた(分離プロフィール循環を継続した)。
段階5:水1.0Lを流量50L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、ベタイン含有フラクションをカラム6から捕集した。
段階6:水10.2Lを流量62L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム2から捕集した。同時に、水10.2Lを流量63L/時間でカラム3にポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム5から捕集した。更に同時に、水3.7Lを流量23L/時間でカラム6にポンプ移送し、そして、ベタイン含有フラクションを同じカラムから捕集した。
段階7:水10.3Lを流量53L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、ベタイン含有フラクションをカラム6から捕集した。
段階8:水10.1Lを流量59L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム3から捕集した。同時に、水を流量58L/時間でカラム4にポンプ移送し、そして、最初にベタイン含有フラクション3.0Lを、次いで残渣フラクション6.8Lをカラム6から捕集した。
段階9:8.2Lを流量50L/時間で、全カラムを用いて形成したカラムセットループ中で循環させた。
混合容積は、樹脂床容積の1.7%であると評価された。
220μmビーズ径カチオン交換樹脂を用いるSMBクロマトグラフー試験
試験装置は、直列に接続された6本のカラム、供給ポンプ、循環ポンプ、溶出水ポンプ、並びに入口及び種々のプロセス流に対する生成物バルブを含んでいた。前記装置は、供給流、溶出流及び循環段階流を制御するための流量制御ユニットを含んでいた。伝導度計は、吐出流の伝導度を測定するためにそれぞれのカラムで使用され、そして密度計は、吐出流の密度を測定するために最後のカラムで使用された。カラム1、3、4及び6の高さは1.5mであり、そしてカラム2及び5の高さは1.8mであった。それぞれのカラムは0.111mの直径を有していた。前記カラムは、Na+ 形態にあるビーズ径220μmの強酸ゲル型カチオン交換樹脂(三菱UBK530)で充填された。前記樹脂ビーズの95%が、平均粒径から±20%の範囲内にあると測定された。
段階1:供給溶液1.2Lを流量40L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、リサイクルフラクションをカラム6から捕集した。
段階2:供給溶液3.1Lを流量34L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、残渣フラクションを同じカラムから捕集した。同時に、水3.4Lを流量37L/時間でカラム2にポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム4から捕集した。更に同時に、水を流量76L/時間でカラム5にポンプ移送し、そして、最初にリサイクルフラクション1.4Lを、次いで蔗糖含有フラクション5.6Lをカラム6から捕集した。
段階3:供給溶液0.4Lを流量40L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、蔗糖含有フラクションをカラム6から捕集した。
段階4:4.3Lを流量40L/時間で、全カラムを用いて形成したカラムセットループ中で循環させた(分離プロフィール循環を継続した)。
段階5:水4.0Lを流量55L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム2から捕集した。同時に、水4.0Lを流量55L/時間でカラム3にポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム5から捕集した。更に同時に、水2.5Lを流量32L/時間でカラム6にポンプ移送し、そして、ベタイン含有フラクションを同じカラムから捕集した。
段階6:水3.9Lを流量50L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、ベタイン含有フラクションをカラム6から捕集した。
段階7:水3.4Lを流量55L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム3から捕集した。同時に、水を流量62L/時間でカラム4にポンプ移送し、そして、最初にベタイン含有フラクション1.0Lを、次いで残渣フラクション2.7Lをカラム6から捕集した。
段階8:2.8Lを流量50L/時間で、全カラムを用いて形成したカラムセットループ中で循環させた。
ムから抜き出した:全カラムからの残渣フラクション、カラム6からの蔗糖含有フラクション、カラム6からのリサイクルフラクション及びカラム6からのベタイン含有フラクション。一緒にしたフラクションに対するHPLC分析を含む結果を以下の表4に示す。
混合容積は、樹脂床容積の2.2%であると評価された。
127μmビーズ径カチオン交換樹脂を用いるSMBクロマトグラフー試験
試験装置は、直列に接続された6本のカラム、供給ポンプ、循環ポンプ、溶出水ポンプ、並びに入口及び種々のプロセス流に対する生成物バルブを含んでいた。前記装置は、供給流、溶出流及び循環段階流を制御するための流量制御ユニットを含んでいた。伝導度計は、吐出流の伝導度を測定するためにそれぞれのカラムで使用され、そして密度計は、吐出流の密度を測定するために最後のカラムで使用された。それぞれのカラムの高さは0.5mであり、そしてそれぞれのカラムは0.111mの直径を有していた。前記カラムは、Na+ 形態にあるビーズ径127μmの強酸ゲル型カチオン交換樹脂[フィネックス(Finex)CS13GC]で充填された。前記樹脂ビーズの80%が、平均粒径から±20%の範囲内にあると測定された。
段階1:供給溶液0.5Lを流量45L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、リサイクルフラクションをカラム6から捕集した。
段階2:供給溶液0.7Lを流量30L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、残渣フラクションを同じカラムから捕集した。同時に、水1.0Lを流量60L/時間でカラム2にポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム4から捕集した。更に同時に、水を流量80L/時間でカラム5にポンプ移送し、そして、最初にリサイクルフラクション0.5Lを、次いで蔗糖含有フラクション0.9Lをカラム6から捕集した。
段階3:供給溶液0.4Lを流量40L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、蔗糖含有フラクションをカラム6から捕集した。
段階4:1.1Lを流量40L/時間で、全カラムを用いて形成したカラムセットループ中で循環させた(分離プロフィール循環を継続した)。
段階5:水0.3Lを流量65L/時間でカラム6にポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム2から捕集した。
段階6:水0.6Lを流量55L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム2から捕集した。同時に、水0.9Lを流量52L/時間でカラム3にポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム5から捕集した。更に同時に、水0.7Lを流量70L/時間でカラム6にポンプ移送し、そして、ベタイン含有フラクションを同じカラムから捕集した。
段階7:水1.5Lを流量55L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、ベタイン含有フラクションをカラム6から捕集した。
段階8:水1.0Lを流量57L/時間で第一カラムにポンプ移送し、そして、残渣フラクションをカラム3から捕集した。同時に、水を流量71L/時間でカラム4にポンプ移送し、そして、最初にベタイン含有フラクション0.5Lを、次いで残渣フラクション0.7Lをカラム6から捕集した。
段階9:1.2Lを流量45L/時間で、全カラムを用いて形成したカラムセットループ中で循環させた。
混合容積は、樹脂床容積の4.0%であると評価された。
非常に短い樹脂床及び大きい直径を持つ区画における混合容積の測定
前記実施例は、現在の工業的実施におけるよりも充分に小さいビーズ径を持つ充填材料を使用することにより、分離能力における非常な改善が達成され得ることを示している。これらのSMB試験は、パイロット規模のカラムを用いて行われた。大きい直径を持つ工業的規模のカラムを用いて同種の改善が達成され得ることを示すため、大きい直径のカラムにおける混合容積を測定するために下記の試験ユニットを構築した。この試験装置は、カラム、供給槽及び溶出槽、供給溶液ポンプ及び溶出水ポンプ、並びに、両方の供給流用の入口バルブを含む。装置は、吐出流の流量及び密度を測定するための質量流量計[ミクロ・モーション(Micro Motion)社製]、吐出流の伝導度を測定するための伝導度計、並びに、カラムへの供給流及び溶出流を制御するための流制御ユニットをも含む。
樹脂床の高さは、カラム区画の高さに対応して2cmであった。カラムの直径は1mであった。樹脂床により生じる混合を極小化し、そして、前記樹脂床に結合された供給ポンプ、配管、分配装置、捕集装置及びオンライン機器との組み合わせがどの程度の混合を起こし得るかを明確に示すために、前記の非常に短い樹脂床を選択した。Na+ 形態にあるビーズ径350μmの強酸ゲル型カチオン交換樹脂[ダウ(DOW)99K/350]を用いて、カラムを満杯に充填した。区画が前記樹脂で満杯に充填されることを確実にするために、前記樹脂を塩溶液中でカラムに充填した。
トルを流量40L/時間で、カラム内にポンプ移送し、そして、供給溶液を、カラムから溶出した。
Claims (40)
- 溶液を二つ又はそれより多くのフラクションに分画する擬似移動床(SMB)システムであって、
該システムは、少なくとも約1mの直径を有し且つ約50μmないし約250μmの範囲内のビーズ径を持つポリマーベースのイオン交換樹脂の均一充填物を含む少なくとも二つの区画を含み、そして
該システムは、区画容積の5%を越えない流体フロントの混合容積を提供する、システム。 - 前記樹脂のビーズ径が約100μmないし約200μmである、請求項1記載のシステム。
- 前記樹脂のビーズ径が約125μmないし約160μmである、請求項1記載のシステム。
- 前記ビーズの75%が平均ビーズ径の±20%の範囲内にある、請求項1記載のシステム。
- 充填された樹脂床の容積が前記区画容積に対応する、請求項1記載のシステム。
- 前記樹脂が、前記区画内の樹脂移動が有効に極小化されるように、前記区画に均一に充填されている、請求項1記載のシステム。
- 前記樹脂が、強カチオン交換樹脂である、請求項1記載のシステム。
- 前記樹脂が一価金属の形態にある、請求項7記載のシステム。
- 前記一価金属がNa+ である、請求項8記載のシステム。
- 前記一価金属がK+ である、請求項8記載のシステム。
- 前記一価金属がNa+ とK+ との混合物である、請求項8記載のシステム。
- 前記樹脂が、二価金属の形態にある、請求項7記載のシステム。
- 前記二価金属がCa++である、請求項12記載のシステム。
- 前記二価金属がMg++である、請求項12記載のシステム。
- 前記樹脂が、弱カチオン交換樹脂である、請求項1記載のシステム。
- 前記樹脂が、強アニオン交換樹脂である、請求項1記載のシステム。
- 前記樹脂が、弱アニオン交換樹脂である、請求項1記載のシステム。
- 前記樹脂がゲルの形態にある、請求項1記載のシステム。
- 前記区画の高さが約0.2mないし約2mである、請求項1記載のシステム。
- 前記区画の高さが約0.5mないし約1.5mである、請求項19記載のシステム。
- 前記樹脂のビーズ径が約100μmないし約160μmであり、そして前記区画の高さが約0.5mないし約1.0mである、請求項1記載のシステム。
- 前記区画の直径対高さの比率が約6ないし12の範囲内にある、請求項21記載のシステム。
- 前記区画の全高が約2ないし6mの範囲内にある、請求項20記載のシステム。
- 前記樹脂のビーズ径が約170ないし250μmであり、そして前記区画の高さが約1.0mないし2.0mである、請求項1記載のシステム。
- 前記区画の直径対高さの比率が約2ないし6の範囲内にある、請求項24記載のシステム。
- 前記区画の全高が約6ないし15mの範囲内にある、請求項24記載のシステム。
- 前記流体フロントの混合容積が前記区画容積の2%を越えない、請求項1記載のシステム。
- 供給区画が、前記システムの一つ又はそれより多くの他の区画よりもより短い、請求項1記載のシステム。
- 前記供給区画が、前記システムの次の区画よりもより短い、請求項28記載のシステム。
- 前記供給区画が、前記システムの他の区画よりもより短い、請求項28記載のシステム。
- 前記供給区画の高さが、前記システムの区画の全高の1/6に等しいか、又は1/6未満である、請求項28記載のシステム。
- 前記供給区画の高さが、前記システムの区画の全高の1/8に等しいか、又は1/8未満である、請求項31記載のシステム。
- 前記流体フロントの混合容積が、隣接する区画のより短いものの容積の5%を越えない、請求項28記載のシステム。
- 前記流体フロントの混合容積が、隣接する区画のより短いものの容積の2%を越えない、請求項33記載のシステム。
- 分離係数が0.5〜2.0であるが、しかし1と異なる、請求項1記載のシステム。
- 前記SMBシステムが、逐次SMBシステムである、請求項1記載のシステム。
- 分画される溶液が、スルフィット蒸解液、糖蜜、とりわけB−糖蜜及び/又はC−糖蜜、砂糖黍エタノール蒸留廃液(vinasse)、果糖及び/又はブドウ糖シロップ、甜菜由来の汁、転化糖混合物、澱粉加水分解物、木材加水分解物、乳清溶液及び他の乳糖含有溶液、ラクツロース含有溶液、麦芽糖含有溶液、マルチトール含有溶液又はアミノ酸含有溶液から選択される、請求項1記載のシステム。
- 分画される前記溶液が、糖蜜溶液、砂糖黍エタノール蒸留廃液及びスルフィット蒸解液から選択される、請求項37記載のシステム。
- 回収される生成物が、ブドウ糖、果糖、蔗糖、ベタイン、ラムノース、アラビノース、マンノース、ラフィノース、乳糖、ラクツロース、麦芽糖、マルチトール、イノシトール、マンニトール、グリセロール、キシリトール、キシロース、ソルビトール、エリトリトール、リボース、6−O−α−D−グルコピラノシド−D−ソルビトール(1,6−GPC)及び1−O−α−D−グルコピラノシド−D−マンニトール(1,1−GPM)、有機酸又はアミノ酸、例えばグルタミン酸、のうちの1種又はそれより多くである、請求項1記載のシステム。
- 擬似移動床(SMB)システムを用いて溶液を二つ又はそれより多くのフラクションに分画する方法であって、
該システムは、少なくとも約1mの直径を有し且つ約50μmないし約250μmの範囲内のビーズ径を持つポリマーベースのイオン交換樹脂の均一充填物を含む少なくとも二つの区画を含み、そして
分画における流体フロントの混合容積は、区画容積の5%を越えない、方法。
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